Sistemas DE Bombeo Hidráulica Básica PDF

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Investigacion documental acerca de los sistemas de bombeo...

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TLAXIACO INGENIERÍA CIVIL HIDRÁULICA BÁSICA ICG1018 UNIDAD 5 SISTEMAS DE BOMBEO CATEDRÁTICO: ING. DARÍO HUMBERTO RUIZ ÁLVAREZ ALUMNO: ALBERTO VELASCO MIGUEL 5TO SEMESTRE GRUPO: BC

TLAXIACO OAXACA A 09 DE DICIEMBRE 2019

ÍNDICE INTRODUCCIÓN..........................................................................................................3 5.1 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS DE BOMBEO............................4 5.2 CURVAS DE FUNCIONAMIENTO........................................................................11

5.3 SELECCIÓN DE EQUIPO....................................................................................19 5.4 CALCULO DE FENÓMENOS TRANSITORIOS..................................................20 5.4.1 GOLPE DE ARIETE...........................................................................................22 5.4.2 LA CAVITACIÓN................................................................................................25 CONCLUSIÓN............................................................................................................29 BIBLIOGRAFÍA...........................................................................................................30

INTRODUCCIÓN

La hidráulica resuelve problemas como el flujo de fluidos por conductos o canales abiertos y el diseño de presas de embalse, bombas y turbinas. Su fundamento es el

principio de Pascal, que establece que la presión aplicada en un punto de un fluido se transmite con la misma intensidad a cada punto del mismo. La hidráulica es una rama de la Física que se encarga de estudiar el comportamiento de los fluidos (líquidos) en función de sus propiedades mecánicas. Entiéndase por fluido a la sustancia que se deforma continuamente mediante cualquier fuerza que se le aplique por muy mínima que sea, por tal motivo adoptan la forma del recipiente que los contiene, por lo tanto, un fluido puede ser un líquido o un gas, pero en este caso la hidráulica solo se encarga del estudio de los líquidos. A continuación, se presentará un resumen de la unidad 5 “sistemas de bombeo” en el cual incluirá los subtemas del mismo e información que nos ayudará a complementar

nuestros

conocimientos

adquiridos

durante

este

semestre,

concluyendo con este último tema del temario de hidráulica básica.

5.1 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS DE BOMBEO.

Un sistema de bombeo consiste en un conjunto de elementos que permiten el transporte a través de tuberías y el almacenamiento temporal de los fluidos, de forma que se cumplan las especificaciones de caudal y presión necesarias en los

diferentes sistemas y procesos. Esta publicación se limita al estudio del transporte de fluidos newtonianos incompresibles, y más concretamente de líquidos. Hay una diversidad de mecanismos de bombeo (bombas), cuya capacidad, diseño y aplicación cubren un amplio rango que va desde pequeñas unidades utilizadas para dosificación de cantidades mínimas, hasta bombas centrifugas que son capaces de manejar grandes volúmenes para surtir de agua a las grandes concentraciones urbanas. Su variedad de diseños cubre desde diferentes principios de operación, hasta bombas especiales para manejo de sustancias tan diversas como el agua, metales fundidos, concreto, etc., gastos diferentes y materiales de construcción. BOMBA: La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica que puede provenir de un motor eléctrico, térmico, etc., y la transforma en energía que la transfiere a un fluido como energía hidráulica la cual permite que el fluido pueda ser transportado de un lugar a otro, a un mismo nivel y/o a diferentes niveles y/o a diferentes velocidades. Una bomba, en pocas palabras, es un elemento que provee de Energía a un sistema, mientras que una turbina toma energía del sistema para luego transformarla. Es por lo anterior que en el Teorema de Bernoulli la presión de la Bomba (Pp) se encuentra generalmente al lado izquierdo de la ecuación, y la presión de la turbina (Pt) se encuentra del lado derecho. Entonces para un sistema que contenga una Bomba y una turbina el teorema de Bernoulli se escribe de la siguiente

DEFINICIÓN DE UN EQUIPO DE BOMBEO Un equipo de bombeo es un transformador de energía. Recibe energía mecánica y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición o de velocidad.

En la mayoría de las aplicaciones de energía conferida por una bomba es una mezcla de las tres (presión, posición y velocidad), las cuales se comportan con los principios de la mecánica de fluidos. Un equipo de bombeo consiste de dos elementos, una bomba y su accionador el cual puede ser un motor eléctrico, motor de combustión interna, etc. El accionador entrega energía mecánica y la bomba la convierte en energía cinética que un fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad. Como un ejemplo de esta adición de energía al fluido mencionaremos el uso de algunos equipos de bombeo en los servicios específicos siguientes: Un equipo de bombeo de pozo profundo se utiliza para cambiar la posición del agua que se encuentra en el subsuelo para que salga a la superficie. Un equipo de bombeo de transporte (Pipe-Iine) se utiliza para adicionar energía de presión al fluido, que se utiliza para poder vencer las pérdidas de fricción que se tienen en la conducción, esto se da en donde las elevaciones, así como los diámetros de tubería y las velocidades del fluido son iguales. En la mayoría de las aplicaciones de los equipos de bombeo en que se trabajan con presiones y elevaciones iguales, generalmente estos adicionan energía de velocidad.

CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS BOMBAS Las bombas se clasifican con base en una gran cantidad de criterios, que van desde sus aplicaciones, materiales de construcción, hasta su configuración mecánica.

Un criterio básico que incluye una clasificación general, es el que se basa en el principio por el cual se adiciona energía al fluido. Bajo este criterio las bombas pueden dividirse en dos grandes grupos; Dinámicas y de Desplazamiento positivo. a) Dinámicas. Bombas a las que se agrega energía continuamente, para incrementar la velocidad del fluido dentro de la bomba a valores mayores de los que existen en la succión, de manera que la subsecuente reducción de velocidad dentro o más allá de la bomba, produce un incremento en la presión. b) De desplazamiento positivo. Bombas en las cuales se agrega energía periódicamente mediante la aplicación de fuerza a uno o más elementos móviles para desplazar un número deseado de volúmenes de fluido, lo que resulta en un incremento directo en la presión. CALCULO DE CARGA DE BOMBEO El cálculo de la carga total de bombeo consiste en determinarla energía requerida para impulsar el líquido desde el nivel de succión hasta el nivel de descarga, venciendo la resistencia que ofrecen la tubería y los accesorios, al paso del fluido. CARGA DINÁMICA TOTAL (CDT). La carga dinámica total de bombeo se define como la suma total de resistencias del sistema, correspondientes a la carga estática total, a la pérdida de carga por fricción en la tubería de succión y descarga y a la carga de velocidad. CDT = He + Hf + Hv Para determinar la carga dinámica total del sistema, se hace uso de la ecuación de Bernoulli.

CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS

Las bombas son máquinas en las cuales se produce una transformación de la energía mecánica en energía hidráulica (velocidad y presión) comunicada al fluido que circula por ellas. Atendiendo al principio de funcionamiento, pueden clasificarse en los siguientes grupos: Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas: En ellas se cede energía de presión al fluido mediante volúmenes confinados. Se produce un llenado y vaciado periódico de una serie de cámaras, produciéndose el trasiego de cantidades discretas de fluido desde la aspiración hasta la impulsión. Pueden a su vez subdividirse en alternativas y rotativas. Dentro del primer grupo se encuentran las bombas de pistones y émbolos; al segundo pertenecen las bombas de engranajes, tornillo, lóbulos, paletas, etc.

DEFINICIÓN DE BOMBAS HIDRÁULICAS

Las bombas son equipos mecánicos que sirven para elevar los líquidos y conducirlos de un lugar a otro, o lo que es lo mismo, comunicarles cierta cantidad de energía (carga) que les permita vencer la resistencia de las tuberías a la circulación, así como, la carga que representa la diferencia de nivel entre el lugar de donde se toma el líquido y el lugar a donde se pretende llevar. Los líquidos circulan del lugar de mayor energía al lugar de menor energía; el suministrarle energía la bomba al líquido tiene el objeto de producir el gradiente necesario para establecer la circulación y vencer las resistencias Un equipo de bombeo es un transformador de energía. Recibe energía mecánica, que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc., y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición o de velocidad. DESCRIPCIÓN DE LAS BOMBAS Siendo tan variados los tipos de bombas que existen, es muy conveniente hacer una adecuada clasificación. La que se considera, as completa, y que se usara en este libro, es la del “Hydraulic Institute”, en su última edición. El mencionado Instituto tiene como miembros a más de cincuenta compañías fabricantes de equipos de bombeo en el mundo entero y se ha preocupado por mantener al día los llamados “Standars”. CLASIFICACIÓN DE BOMBAS HIDRÁULICAS. Las bombas se pueden clasificar de muchas maneras desde diferentes puntos de vista, pero en forma general podríamos considerar los siguientes. Por la posición de su eje (Vertical, horizontal). según su carcaza (Voluta , difusor ), según el modo de operación (Desplazamiento positivo , roto dinámicas ) , por el tipo de rodete (Abierto , semicerrado ) etc ; pero la manera más común de clasificarlo es según su modo de operación los cuales se pueden definir : Desplazamiento positivo: Son aquellas que confinan un volumen de fluido y lo trasladan a otro lugar, dentro de este grupo se encuentran todas las bombas usadas en la oleo hidráulica y de uso frecuente en los quirófanos, en el bombeo del petróleo de los pozos profundos y las usadas en la industria osada general, bombeo del concreto, equipos pesados para movimiento de tierras, reguladoras de velocidades etc.

Existen los siguientes tipos más comunes. 

Reciprocantes



Engranajes



Paletas



Lóbulos



Pulsátiles



Tornillos

Desplazamiento no positivo o roto dinámicas: Son aquellas en que la transferencia de energía se produce en una superficie mojada por el fluido en la que dicha superficie (Alabe) recibe el movimiento debido a la energía mecánica de rotación que recibe de un elemento motriz, de estos existen los siguientes tipos más importantes: 

Centrifugas (Radial, Mixto Y Axial)



Periféricas (Unipaso, Multipaso)



Electromagnética

Las bombas se clasifican según las consideraciones generales diferentes: 1. La que toma en consideración las características de movimiento de los líquidos. 2. La que se basa en el tipo de aplicación específica para los cuales se ha diseñado la bomba. Hay tres clases de bombas en uso común del presente: centrífuga, rotatoria y reciprocante. Nótese estos términos se aplican solamente a la mecánica del movimiento de líquido y no al servicio para el que se a diseñado una bomba.

BOMBAS CENTRIFUGAS Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio sumergido en el líquido. El líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor,

y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. El rotor también proporciona al líquido una velocidad relativamente alta que puede transformarse en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor. En bombas de alta presión pueden emplearse varios rotores en serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden contener aletas de guía para reducir poco a poco la velocidad del líquido. En las bombas de baja presión, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta de forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de líquido cuando se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una válvula de retención en el conducto de succión, que mantiene el líquido en la bomba cuando el rotor no gira. Si esta válvula pierde, puede ser necesario cebar la bomba introduciendo líquido desde una fuente externa, como el depósito de salida. Por lo general, las bombas centrífugas tienen una válvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presión. BOMBAS ROTATORIAS Las bombas rotatorias que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. En lugar de "aventar" el líquido como en una bomba centrifuga, una bomba rota. Toña lo atrapa, lo empuja contra la caja fija en forma muy similar a como lo hace el pistón de una bomba reciprocante. Pero, a diferencia de una bomba de pistón, la bomba rotatoria descarga un flujo continuo. Aunque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio sólo. Pueden manejar casi cualquier líquido que esté libre de sólidos abrasivos. Incluso puede existir la presencia de sólidos duros en el líquido si una chaqueta de vapor alrededor de la caja de la bomba los puede mantener en condición fluida.

BOMBAS RECIPROCANTES Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la

distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. Despreciando éstos, el volumen del líquido desplazado en una carrera del pistón o émbolo es igual al producto del área del pistón por la longitud de la carrera.

5.2 CURVAS DE FUNCIONAMIENTO

El comportamiento hidráulico de una bomba viene especificado en sus curvas características que representan una relación entre los distintos valores del caudal proporcionado por la misma con otros parámetros como la altura manométrica, el rendimiento hidráulico, la potencia requerida y la altura de aspiración, que están en función del tamaño, diseño y construcción de la bomba. Estas curvas, obtenidas experimentalmente en un banco de pruebas, son proporcionadas por los fabricantes a una velocidad de rotación determinada (N). Se representan gráficamente, colocando en el eje de abscisas los caudales y en el eje de ordenadas las alturas, rendimientos, potencias y alturas de aspiración. CURVA DE UN SISTEMA EN SERIE

CURVA DE UN SISTEMA EN PARALELO

PUNTO DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA

CURVAS DE ISOEFICIENCIA

Curva altura manométrica-caudal. Curva H-Q Para determinar experimentalmente la relación H (Q) correspondiente a unas revoluciones (N) dadas, se ha de colocar un vacuómetro en la aspiración y un manómetro en la impulsión, o bien un manómetro diferencial acoplado a dichos puntos. En la tubería de impulsión, aguas abajo del manómetro, se instala una llave de paso que regula el caudal, que ha de ser aforado. La velocidad de rotación se puede medir con un tacómetro o con un estroboscopio. Con un accionamiento por motor de corriente alterna, dicha velocidad varía muy poco con la carga.

La relación H (Q) tiene forma polinómica con las siguientes formas: H = a + b·Q + c·Q2

H = a + c · Q2 Las curvas características H-Q, típicas de los 3 grupos de bombas vienen indicadas en las siguientes figuras.

La curva que se obtiene corta el eje (Q = 0) en un punto en el que la bomba funciona como agitador, elevando un caudal nulo. Esta situación se consigue cerrando totalmente la llave de paso en el origen de la tubería de impulsión. El llamado caudal a boca llena es el que corresponde a H=0, dando un caudal máximo. Curva rendimiento-caudal El rendimiento de la bomba o rendimiento global es la relación entre la potencia útil o hidráulica y la potencia al freno. Este es, en general, suministrado por los constructores de la bomba, y considera las pérdidas por fugas (rendimiento volumétrico) y por rozamientos en ejes y caras del impulsor (rendimiento mecánico). La curva característica rendimiento-caudal para tres tipos de bombas distintas le puede ver en la figura 7.13. En general la curva del rendimiento

podrá ajustarse a una expresión del

tipo:

El rendimiento es nulo para un caudal nulo y para un caudal máximo. Entre ambos el rendimiento varía, alcanzando el máximo en un punto correspondiente a un cierto

caudal, llamado caudal nominal de la bomba, que es aquel para el cual ha sido diseñada la bomba. Curva potencia-caudal. En la teoría, la potencia suministrada por el eje del impulsor es: Ph = potencia hidráulica En la práctica, las pérdidas por rozamiento hidráulico, mecánico y las posibles fugas dan lugar a que la potencia al freno P absorbida al motor por el eje de la bomba difiere de Ph. Su valor se obtiene en laboratorio mediante un dinamómetro o freno, aplicando la relación: P=T·N Siendo T el par resistente de la bomba, el cual es el producto de [F x r] donde r es el brazo donde se aplica la fuerza tangencial F. N es el número de revoluciones o vueltas en la unidad de tiempo, o velocidad angular. La relación entre la potencia hidráulica (P salida) y la potencia al freno (P entrada) mide el rendimiento global. Se determina a partir de la ecuación:

La potencia absorbida por el eje de la bomba o potencia al freno es la potencia que necesita la bomba para realizar una determinada cantidad de trabajo. Es igual a

potencia hidráulica o potencia que necesita la bomba para elevar el agua, más la potencia consumida en rozamientos, y viene determinada por la fórmula:

Dónde: P = potencia bomba (w) = peso específico (N/m3) Q = caudal (m3/s) H = altura manométrica total (m) = rendimiento de la bomba (º/1). También se puede utilizar la siguiente expresión para Potencias expresadas en C.V.

Dónde: P = potencia bomba (C.V.) Q = caudal (l/s) H = altura manométrica total (m) = rendimiento de la bomba (º/1). Para cada posición de la llave de regulación del caudal, se determinará la potencia P. La potencia absorbida por la bomba es la que tiene que suministrar el motor (eléctrico o combustión o hidráulico) por el rendimiento de dicho motor (ηm).

Curvas de caudal en función de la contrapresión

Si se ignoran las pérdidas de carga el caudal en esta situación viene determinado por la altura H a la que se encuentra la descarga. Esta curva indica el caudal que se puede bombear dependiendo de la altura. En un sistema real se generan pérdidas de carga por la fricción con válvulas y codos, esta resistencia es conocida como contrapresión dinámica.

Curva de características del sistema La curva de características del sistema está basada en las pérdidas de carga por altura de presión estática y en la contrapresión dinámica. La curva de caudal en función de la contrapresión es la misma que la anterior y solo depende de la altura de bombeo. El punto en que se cruzan estas dos curvas es el punto de operación de la bomba.

Actuación con la bomba fuera del fluido Aparece la resistencia creada por la altura de la columna de líquido. NASH “Net Positive Suction Head” es la altura positiva de succión neta, cuanto mayor sea este valor más trabajo costará bombear este fluido. Si la bomba está por encima de la columna del fluido y tiene que aspirar, la temperatura de evaporación del fluido decrec...